Аморфная структура материалов

Аморфная структура характеризуется изотропностью, т. е. равномерностью свойств независимо от направления. Вторым характерным свойством аморфных тел (или тел в стеклообразном состоянии) является отсутствие точной температуры перехода из твердого в жидкое состояние. При аморфной структуре частички (атомы, молекулы), составляющие вещество, располагаются в правильном порядке только лишь в элементарной ячейке, построенной так же, как и в кристалле. За пределами ячейки в отличие от кристаллических веществ правильного порядка не наблюдается, т. е. каждая элементарная ячейка расположена по отношению к другой без определенного порядка, например в аморфном кварце.

Мелкие кристаллические ячейки получили название "кристаллитов", так как в них наблюдается такой же порядок, как и в элементарных ячейках кристаллов.

Примером материала с аморфной структурой может быть стекло.

Стекло его состав и строение

Стекло по своей природе своих исходных компонентов делится на стекло органическое и силикатное.

Органическое стекло — прозрачный твердый аморфный материал на основе органических полимеров, например по-лиакрилатов, полистирола, поликарбонатов (в промышленности термин "стекло органическое" чаще всего относят к листовому полиметилметакрилату). Отличается сравнительно невысокой плотностью, малой хрупкостью; размягчается при значительно более низкой температуре (>60°С), чем силикатное стекло (>600°С).

Полиметилметакрилатное органическое стекло получают радикальной полимеризацией метилметакрилата в массе

в присутствии перекиси бензоила, перекиси лаурила, динит-рила азоизомасленной кислоты и др. Исходным сырьем для полиметилметакрилата служит метиловый эфир метакрило-вой кислоты, вырабатываемый из этилена, пропилена, молочной кислоты.

В зависимости от назначения оргстекла в состав полиме-ризационной смеси могут входить пластификаторы, красители, глушители, стабилизаторы, а также другие акриловые мономеры. Наиболее распространенные пластификаторы — эфиры фталевой кислоты. Для окрашивания оргстекла применяют жирорастворимые и дисперсные красители, растворимые в мономере и совместимые с полимером. Возможно применение нерастворимых в мономере пигментов. Замутни-телями в производстве светорассеивающего оргстекла служат полистирол и пигменты. Эфиры салициловой кислоты, производные бензотриазола, диоксибензофенона и т.п. являются светофильтрующими веществами, при использовании которых получают оргстекло, поглощающее УФ излучение. Сополимеризация метилметакрилата с другими акриловыми мономерами или стиролом, а также введение термостабили-зирующих добавок позволяют получить оргстекло с термостойкостью до 200°С.

Полимеризация метилметакрилата сопровождается значительной усадкой реакционной массы (до 23%), что могло бы привести к получению листов с дефектами. Поэтому процесс обычно проводят в два этапа. Вначале получают полимер невысокой молекулярной массы (форполимер), представляющий собой сиропообразную жидкость. Затем форполимер заливают'в форму для получения листа; дальнейшая полимеризация¹¹ форполимера сопровождается значительно меньшей усадкой. Аналогичный эффект достигается, если полимеризации подвергают раствор полиметилметакрилата в мономере (сироп-раствор). Применение форполимера или сироп-раствора предотвращает также утечку реакционной массы из недостаточно уплотненных форм. Полимеризацию мономера в один этап осуществляют только в тех случаях,

когда необходимо получить полиметилметакрилатное оргстекло очень высокой оптической прозрачности.

Все необходимые ингредиенты оргстекла вводят в форполимер или сироп-раствор. Поученную смесь тщательно перемешивают, вакуумируют для удаления пузырьков газа и фильтруют. Полимеризацию проводят в формах, собранных из двух листов полированного силикатного стекла, стали или алюминия, скрепленных зажимами, с проложенными между ними эластичными прокладками. Толщина эластичных прокладок определяет будущую толщину листа оргстекла. Полированное силикатное стекло применяют, если необходимо получить оргстекло с поверхностью хорошего качества.

При получении литьевого оргстекла из сополимера метилметакрилата с акрилонитрилом сополимеризацию осуществляют в массе по такой же технологии как и полиметил-метакрилатного стекла. Полимеризацией на основе диэтилен-гликоль-бис-(аллиллкарбоната) образующийся полимер практически не формуется, и получить из него изделия сложной конфигурации другим методом не удается. Листы из полистирола, поликарбоната, сополимеров винилхлорида и эфиров целлюлозы получают экструзией, а изделия сложной конфигурации — литьем под давлением гранулированных или порошкообразных полимеров, полученных Обычными методами.

Силикатное стекло, твердый аморфный прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды Si, В, А1, Рит. д.) и оксиды металлов (Li, К, Mg, Pb и т. д.).

Не все вещества, имеющие стекловидное состояние, относятся к группе стекол. Точного определения понятия стекло еще нет, поэтому пользуются такой формулировкой: "Стеклом называются все аморфные (т.е. с неупорядоченным,' по преимуществу молекулярным строением) тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области застывания и об-^:ладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел; процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обязательно обратимым". В связи с таким сложным определением понятия стекла существует несколько гипотез о его строении.

Менделеев в своей теории писал: "Стекло есть некристаллический (аморфный или коллоидный) кремнеземистый сплав окислов". В другом труде Менделеев указывает: "Когда коллоиды выделяются из расплавленного состояния, то они представляют однообразный вид той жидкости, из которой образовались. Лучшим примером может быть стекло". Из этого можно заключить, что Менделеев делает-вывод о на-личии аналогии между коллоидным гелем и стеклом и он причисляет стекло к коллоидам.

Ботвинкин считает, что стекло образуется в процессе агрегации одинаковых молекул.

Лебедев считает, что стекло является агломератом кристаллических модификаций кремнезема и твердых растворов в них других компонентов стекла.

Исследования Смирнова, Рубцова и Афанасьева, применивших электронографический и рентгеновский методы, показали, что в стеклах отсутствуют кристаллы, размеры которых можно было бы определить этими методами.

В настоящее время имеется большой экспериментальный материал, который указывает на наличие в стекле групп, обладающих химическим составом, соответствующим. опре-деленньшГхимическим соединениям. Новейшая гипотеза строения стекла* трактует, что стекло состоит из разных субмикроскопических образований (комплексов) размерами в несколько десятков или сотен атомов.

Существуют гипотезы: стекла по своему строению в ближнем атомном окружении напоминают структуру соответствующих кристаллов того же химического состава, но резко отличается от них. Стекла не являются ни в какой степени

кристаллическими материалами, т.е. получаются из переохлажденных жидкостей которые до застывания изменяют свои химические и физические свойства.

Свойства стекла определяются показателями, характеризующими физические и химические свойства. Физические свойства определяются физическими методами и не сопровождаются изменением химической природы стекла. Вязкость, плотность, отношение стекла к механическим усилиям, к температуре, к свету, к электрическому току характеризуют главным образом физические свойства стекла, и каждое из этих свойств зависит от химического состава стекла.

Химический состав обычных, широко распространенных стекол приближенно можно выразить так называемой "нормальной формулой стекла":

R₂0 ■ RO • 6SiO_a, где: к группе R₂0 относятся щелочные оксиды (Na₂0, К₂0, Li0₂), к группе RO — щелочноземельные оксиды (MgO, РЬО, ВаО, СаО), к группе Si0₂ принадлежат также А1₂0₃ и В₂О_э.

Важно отметить, что стекла сложного химического состава не могут быть выражены ни "нормальной формулой стекла", ни другими предложенными формулами.

Стекла очень разнообразны по химическому составу и по методам их получения.

Для изготовления стекол в настоящее время используют около 80% элементов периодической системы. Наиболее при-; менимы кислород, кремний, кальций, магний, свинец, барий, цинк, натрий, калий, бор и алюминий.

Существует несколько классификаций стекол, наиболее распространенная классификация Китайгородского. По ней все стекломассы классифицируются по химическому составу, а все стеклоизделия — по методам их выработки и обработки.

Стеклообразующие соединения, встречающиеся в стеклах, подразделяются на следующие группы: 1. Стеклооснования.

2. Стеклоокислы (окислы натрия, калия, кальция, магния, бария, свинца и значительное количество красящих окислов).

3. Амфотерные окислы (окислы алюминия, хрома и железа).

4. Стеклосоли (Na₂S0₄, NaN0₃,KN0₃, NaCl, CaSO_a, Na,CO_a и другие соли, которые частично диссоциируют в стекле на ионы). Стеклосоли растворяются в стекломассе в очень небольших количествах.

Таблица 4.1